4月30日傍晚,航天員三人組從天宮“出差”回來瞭。
昨天傍晚的5點46分,返回艙成功著陸,50分鐘後,3位航天員順利出艙,他們的飛天任務至此圓滿成功。
神舟十七號航天員乘組返回之前,神舟十八號乘組順利抵達空間站,兩組航天員此前順利完成瞭交接。
空間站已進入常態化運行模式,未來像這樣高頻率的發射和返回,也將成為一種常態化現象。這也意味著,我國的航天技術發展已經相當成熟。
那麼,神舟十七號航天員乘組的回傢過程是怎樣的呢?返回艙著陸的區域又有哪些要求呢?我們不妨一一來看。
187天後的順利著陸
4月30日下午快要5點鐘時,在北京飛行控制中心的操控指令下,航天員乘組乘坐的返回艙和軌道艙分離瞭。
接下來的50分鐘時間裡,是返回艙和大氣層“親密接觸”的時刻。巨大的引力作用下,返回艙會以高速方式下落一段距離。
再最後的一段高程中,返回艙會拋出並打開降落傘。等快要接近地面的時候(這個距離為1米),返回艙下面的最後一個高科技設備又要發揮作用。
這個設備便是反推發動機,聽名字就知道,它會在返回艙最後快要著陸的時候,再次給它一個向上的推力,這樣就能最大程度減緩返回艙落地的沖力。
反推發動機在返回艙上安裝瞭4臺,昨天返回艙在距離地面1米高的時候,4臺發動機成功運作。
不要覺得這4臺發動機制造起來很簡單,它們是由航天科技集團八院806所專門研發的。
返回艙在即將落地的瞬間,每秒的下落速度依然有8米,而反推發動機則需要分毫不差的產生制動力。給發動機預留的點火時間隻有10毫秒,而且4臺設備需要同時產生反推力。
可以說,這是航天員在回傢的過程中,最後一個工作並發揮巨大作用的儀器設備瞭。反推發動機成功運行後,航天員才算是真正回到傢瞭。
神舟十七號是去年10月26日升空的,三名宇航員湯洪波、唐勝傑和江新林,他們在空間站工作生活瞭187天。期間,還先後進行過兩次太空行走。
三位航天員中,湯洪波因為是前後兩次執行任務,所以他在太空執行任務的時間已達到瞭279天,這也是我國航天員在軌飛行時間最長的記錄。
此次,神舟十七號航天員乘組,依然采用瞭5圈快速返回方案。
什麼是“5圈快速返回”
從2022年的神州十三號以來,航天員回傢采用的都是5圈快速返回方式。
這裡的“圈”,指的是飛行器繞行地球的圈數,快速返回是指飛行器在軌繞行地球的圈數少,隻需5次就能開始進入大氣層。
根據載人飛船系統的工程技術人員介紹,飛船在與空間站分離後,不是直接沖著地球而去的,需要繞著地球再進行飛行,找到合適的角度後才能進行大氣層。
從技術上來說,這個角度不好找。角度一旦沒有把握好,要麼會導致飛船繼續在遠離大氣層的軌道運行。要麼會以錯誤的角度進入大氣層,在過度摩擦中對飛船帶來損毀隱患。
神州十二號返回時,在繞行地球找角度的過程中,飛船繞飛瞭地球11圈。每繞行地球一圈,大約需要1.5小時,所以十幾圈繞行下來,這個時間也很漫長。
而降低圈數,就可以從整體上減少飛船繞行的時間,從而縮減航天員回傢的時間。降低到5圈,也就是快速返回方案。
根據工程技術人員的介紹,圈數的降低,是對整個過程中的一些飛行事件,進行瞭壓縮和裁剪。
通過整體上的時間壓縮,飛船原本在軌繞圈的次數也能被壓縮。不過,天上的時間雖然被壓縮瞭,但地面著陸場區域的反應時間卻緊迫瞭。
為瞭達到更快的反應能力,著陸場整個系統進行瞭反復演練。神州十三號成功采取瞭該模式,從那以後快速返回模式就成瞭標配方案。
在快速返回模式下,飛船從和空間站分離到成功著陸,全部所需時間被壓縮到瞭9小時左右。這樣一來,航天員就能以相對更快速的方式回傢。
雖然整體的時間被壓縮瞭,但是飛船在返回地球的過程中,需要經歷的危險步驟和復雜情況,依然一個不少。
“墜落”中要經歷什麼
雖然飛船在返回地球時不需要額外大的動力,但整個過程也需要必要的動力與合適的角度。
形象一點說,這就好比一輛自行車在漫長的陡坡路段出溜,雖然不用踩腳蹬子瞭,但控制方向和剎車卻很關鍵。
飛船在軌運行時,它和空間站是對接在一起的。航天員要回傢時,他們需要借助於地面控制中心的操控指令,一步步的將飛船和空間站分離。
分離之後,由於此刻飛船距離地球還有相當一段高的高度(超過瞭350公裡),所以這時候的飛船,並不會朝著地球墜落。
在自身動力的作用下,飛船可以離開空間站所在的軌道,然後以勻速的方式向地球靠近。
這個過程中雖然不需要用到驅動力,但整個飛行的速度是經過計算的。而飛船要“剎車”的話,就是利用攜帶的燃料,讓其產生一個反作用的推力。
通常情況下,速度如何變化,航天員要根據地面的指令來進行。地面工作人員,則是通過飛船的高度、速度、運行的區間等情況來計算的。
而這個過程中,就是飛船繞飛地球的過程。一旦角度找好後,飛船就會在繼續下落的過程中,逐步接近並進入大氣層。
到這個時候,飛船的外部就要承受高溫壓力瞭。我國的神舟系列飛船是不可回收式的,即飛船使用一次就不再用瞭。因此,飛船外部使用的是燒蝕隔熱辦法。
簡單來說,就是通過飛船外部隔熱塗層自我燃燒的方式,來給飛船整體降溫隔熱。
這層高分子材料制成的塗層,在劇烈摩擦下會熔化和蒸發,整個過程中會吸收並帶走大部分的熱量。
外部塗層隔絕主要的高溫,飛船內部也有隔熱降溫設計。整個下落的過程中,航天員在艙內感受到的溫度,大約在30℃左右。
高溫雖然可以隔絕,但是高溫在飛船周圍形成的一圈電離質區域,無論如何是沒法避免的,這也就是人們常聽說的“黑障”。
在這個過程中,飛船和地面的通信會中斷,航天員需要自行操控飛船完成一系列動作。這種情況下,他們就像是斷瞭線的風箏,完全不知道下一秒會怎麼樣。
在黑障區域內,未知事故易發。蘇聯時期的一次返回,由於在這個過程中艙內空氣泄露,航天員後來死亡。
忍受著高溫和失聯,飛船繼續向下墜落,當距離地面的高度下落到40公裡左右,航天員就能重新和地面聯絡瞭。
當高度繼續下落,飛船內返回艙上的裝置,會通過測量大氣壓來自動判斷高度,以便能在特定的高度范圍內打開減速傘。
整個減速傘分為多個模塊,其自動工作的步驟也比較復雜,一旦成功打開傘,飛船下降的速度就能從每秒330米左右,降低到每秒180米左右。
當速度繼續降低,飛船主體在特定的高度就會和返回艙分離。這時候的返回艙,會再次打開一個主減速傘,而後墜落的速度繼續變慢,直至從每秒幾十米,降低到每秒8米左右。
雖然此刻的速度已經大大下降,但如果以這樣的方式落地,艙內的航天員即便做好瞭防護措施,依然會因為巨大的沖力而受到傷害。
所以最後的關鍵節點,就是反推發動機要登場的時候瞭。最終,它可以將飛船的速度,進一步降低到每秒2米以內。
直到這一刻,航天員才算真正回到瞭地球。他們所在的區域,隻要沒有出現計算錯誤的話,就一定會是東風著陸場。
為什麼將場地選在這裡
名為東風著陸場的區域,是一片天然的戈壁灘。這裡位於內蒙古的額濟納旗,旁邊緊挨著巴丹吉林沙漠。
這片區域地形開闊人煙稀少,沒有復雜的植被,隻有稀疏而低矮的灌木叢,所以這非常有利於地面人員的搜索以及直升機起降。
神州十二號之前,這片區域對於飛船返回,隻是備用區域。從神州十二號開始,這裡便成瞭返回的主場地,搜救人員也是常態化應急待命。
從維護成本上來看,這裡可以依托酒泉衛星發射中心的所有資源來運行,當地隻需要部署一支搜救力量就能滿足需求。
而且,所在地人煙稀少,並不會影響當地的經濟建設。反倒可以開發航天旅遊業,帶動本地區的經濟發展。
著陸場的工作除瞭搜救,再有一個就是保障航天員出艙後的身體健康。
從航天員出艙後所用的座椅,再到醫保帳篷和醫用車輛等設備,都是著陸場此前研制的。
相比於過去的出艙方式,從神州十三號開始,航天員出艙後就會進入醫保載體,縮短瞭在野外環境下的暴露時間。
結語
神舟十七號航天員乘組昨天已順利返回,地面搜救人員的一切步驟都很嫻熟,每一次成功的著陸,都是技術和經驗的積累。
不過在飛船返回這一領域,由於每次所面臨的情況都不一樣,所以以往的經驗也僅僅是某種參考,對於整個保障系統的運行來說,每一次都要制定新的萬無一失的方案。
而每一次的成功返回,既是航天員平安回傢,也標志著我國航天事業發展又邁上瞭一個新臺階。
參考資料:
《神十七返回艙著陸精準“剎車”,上海航天第12次為航天員回傢護航》 澎湃新聞 2024年4月30日《神十七載人飛船采用5圈快速返回方案 著陸場準備就緒》 北京青年報 2024年4月30日《全程僅用9個多小時 中國載人飛船首次采用快速返回模式“回傢”》 北京青年報 2022年4月17日